CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN

LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “thiết kế khí cụ điện hạ áp” đề cập đến những vấn đề cơ
bản nhất về tính toán, thiết kế các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện hạ áp.
Chúng gồm các phần sau :
- Những vấn đề chung về thiết kế
- Mạch vòng dẫn điện
- Cơ cấu trong khí cụ điện
- Nam châm điện
- Tính toán nhiệt
Đ
ây là giáo trình dùng cho sinh viên ngành thiết bị điện - hệ taị
chức và dài hạn, nhưng nó cũng có thể bổ ích cho sinh viên các ngành khác
và các cán b
ộ kĩ thuật, quan tâm đến công tác thiết kế, tính toán, chế tạo sửa
chữa các khí cụ điện hạ áp.
Tham gia biên soạn chương trình này gồm các đồng chí :
- Phạm Tố Nguyên : chương 2, một phần chương 5
và ch
ịu trách nhiệm chính.
- Lưu Mỹ Thuận : chương 3 và chương 4.
- Ph
ạm Văn Chới: chương 1và một phần chương 5.
- Bùi Tín H
ữu : chương 6.
Vì trình
độ và thời gian có hạn nên cuốn sách này
ch
ắc chắn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc,
thư xin gửi tới bộ môn Thiết Bị Điện, trưòng Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Tháng 7 n
ăm 1986
Các tác gi
ả.
CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ
THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN
§1-1. KHÁI NIỆM CHUNG
A- CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN
Khí cụ điện là những thiết bị điện, cơ cấu điện dùng để điều khiển các
quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các
d
ạng năng lưọng khác.
Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh bằng tay tự
động, kiểm tra v
à bảo vệ.
Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong
m
ỗi nhóm lại có rất nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là :
1- Nhóm khí c
ụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm : Dao
cách ly, máy ngắt dầu (nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí,
máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chuỷ (cầu chì) , dao
ng
ắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp …
2- Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp, gồm : Máy
ngắt tự động , máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối (cầu dao, công
tắc), cầu chì …
3- Nhóm khí c
ụ điện điều khiển : Công tắc tơ, khởi động từ, các bộ

khống chế và điều khiển, nút ấn , công tắc hành trình , các bộ điện
trở điều chỉnh và mở máy, các bộ khuếch đại điện tử, khuếch đại
từ, tự áp…
4- Nhóm các rơle bảo vệ : Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công
su
ất, rơle tổng trở, rơle thời gian
5- Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ
cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện…
B- CÁC BỘ PHẬN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN
Các khí cụ điện có nhiều chủng loại khác nhau vềkết cấu, kích
thước, nguyên lý làm việc. Tuy vậy trong công tác thiết kế vẫn có thể phân
loại các bộ phận của chúng. Các phần tử hợp thành khí cụ điện bao gồm:
- Chi tiết: là phần sơ đẳng của khí cụ điện, được chế tạo từ một
chất đồng nhất và chưa phải dùng đến nguyên công lắp ráp.
- Cụm (đơn vị lắp ráp) là tổ hợp lắp ráp cả hai hay nhiều chi tiết.
Trong một cụm cũng có thể gồm hai hay nhiều cụm nhỏ (cụm
bậc hai và các bậc cao). Cụm cơ sở là cụm mà bắt đầu từ đó lắp
ráp thành khí cụ điện.
- Nhóm: là thành phần chủ yếu của khí cụ điện, gồm tổ hợp của
các cụm và các chi tiết có chức năng chung cá biệt, nhóm có thể
chỉ có chi tiết mà không có cụm.
Các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện thường gặp là:
- M
ạch vòng dẫn điện gồm đầu nối, thanh dẫn và các tiếp điểm.
- Hệ thống dập hồ quang
- Các cơ cấu trung gian
- Nam châm điện
- Các chi tiết và các cụm cách điện
- Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng
C-YÊU C

ẦU CHUNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN
Các khí cụ điện được thiết kế phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của
một sản phẩm công nghiệp hiện đại: đó là các yêu cầu về kỹ thuật, về vận
hành, về kinh tế, về công nghệ và về xã hội chúng được biểu hiện qua các
quy chuẩn, định mức, tiêu chuẩn chất lượng của nhà nước hoặc của ngành và
chúng n
ằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật.
1- Các yêu cầu về kỹ thuật:
- Độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi làm
vi
ệc ở chế độ định mức và chế độ sự cố.
- Độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng
cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và
trong
điều kiện của môi trường xung quanh(như mưa, ẩm, bụi,
tuyết,…) cũng như khi có quá điện áp nội bộ hoặc quá điện áp
do khí quyển gây ra.
- Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong
giới hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời hạn làm viêc ở chế độ
định mức v
à chế độ sự cố.
- Khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền
đ
iện thông của các chi tiết, bộ phận.
- Các yêu cầu kỹ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điện.
- Kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước bé.
2- Các yêu cầu về vận hành:
- Lưu ý đến ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt
độ, độ cao,…
- Độ tin cậy cao.

- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài
-
Đơn giản,dễ thao tác,sữa chữa, thay thế.
- Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng.
3- Các yêu cầu về kinh tế, xã hội :
- Giá thành hạ
- Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho nhân viên vận hành (về
tâm sinh lý, về cơ thể,…)
- Tính an toàn trong lắp ráp ,vận hành
- Tính th
ẩm mỹ của kết cấu
- Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp và vận hành ít
4- Các yêu c
ầu về công nghệ chế tạo :
- Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn,
tính lắp lẫn…
- Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ
chức sản xuất, khả năng của thiết bị.
- Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các tổ
hợp khác, chế tạo dây,..
D-ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN KẾT CẤU CỦA
KHÍ CỤ ĐIỆN
1- Vùng khí hậu : Trong quá trình thiết kế, phải lưu ý đến điều
kiện khí hậu nơi sử dụng. Vì vậy cần phải nghiên cứu các dạng, loại phù
h
ợp với từng vùng khí hậu. Nhìn chung các loại khí cụ điện chỉ khác nhau ở
một số loại vật liệu và các lớp sơn phủ bề mặt các chi tiết.
Có các loại khí cụ điện cho các vùng khí hậu sau :
- Loaị dùng cho các vùng khí hậu ôn đới.
- Loại dùng cho các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm .

- Loại dùng cho các vùng nhi khô, sa mạc.
- Loại dùng cho các vùng khí hậu hàn đới.
- Loại dùng cho các vùng khí hậu biển, ôn đới.
- Loại dùng cho các vùng khí hậu biển. nhiệt đới.
2- Vị trí lắp đặt : Ngoài điều kiện khí hậu, khi thiết kế khí cụ điện
còn phải lưu ý đến vị trí lắp đặt của chúng như :
- Ki
ểu đặt trong phòng kín, có thông gió.
- Ki
ểu đặt trong các hầm lò, có độ ẩm cao.
- Kiểu đặt bên ngoài, không có che chắn, bị tác động của mưa bụi
, bẩn …
- Các kiểu chuyên dùng, có che chắn, chống bụi, nước, chống nổ.
Tuỳ theo mức độ chống được ảnh hưởng của môi trường bên ngoài,
các khí c
ụ điện được phân theo các cấp bảo vệ (có tiêu chuẩn).
3- Tác động cơ học:
Trong quá trình vận chuyển, bảo quản vận hành, các khí cụ điện
chịu tác động cơ học từ mọi phía, thể hiện qua độ rung và va đập.Tác động
này có dạng và độ lớn khác nhau cho từng lĩnh vực sử dụng, ví dụ như trong
công nghi
ệp , tàu điện, máy bay…
4- Sự thay đổi các thông số định mức của khí cụ điện :
Khi nhiệt độ môi trường tăng thì dòng điện định mức của các khí cụ
đ
iện giảm xuống . Khi chiều cao nơi làm việc lớn hơn 1000m, nên thay đổi
dòng điện và điện áp định mức của các khí cụ điện như sau :
Độ cao, m K
I
= I/I

đm
K
u
=U/U
đm


1000 1.00 1.00
2000 0.98 0.90
3000 0.96 0.80
6000 0.90 0.56

T
ất cả các nhân tố trên đều ảnh hưởng đến kết cấu của khí cụ điện. Vì
v
ậy, các nhân tố này nằm trong phần nhiệm vụ thiết kế.
A- CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

Thi
ết kế là việc giải bài toán nhiều ẩn. Bài toán này thường thiếu các
số liệu cần thiết nên phải cho trước một số thông số, đưa vào các điều kiện
giớ hạn phải đơn giản hoá nhiều vấn đề, các phương phápchủ yếu dùng
trong quá trình thi
ết kế và tính toán kết cấu thường gặp là: Phương pháp
đồng dạng, phương pháp tương tự, phương pháp gần đúng liên tiếp.
Tính toán thiết kế phải bám sát vào nhiệm vụ được giao. Đôi khi phải
huỷ bỏ kết quả tính toán về kích thước và các thông số, mặc dù kết này đúng
v
ề mặt toán học nhưng không thể chấp nhận được về mặt kết cấu, chế tạo,
vận hành, kinh tế …

Trong việc tính toán, cần dựa vào các vấn đề lý thuyết và thực tế,
trong đó gồm các luật vật lý, các số liệu thực nghiệm của các khí cụ điện
tương tự. Vai trò của tính toán là quan trọng , nhưng trong nhiều trường hợp
lại chọn trước dạng và các kích thước,mà không cần đến tính toán. Nên lưu
ý r
ằng, khi sử dụng các công thức tính toán kinh nghiệm, cần biết rõ mối